2.1.2 Гібридизація орбіталей

У хімії широко використовується уявлення про гібридні орбіталі атома вуглецю та інших елементів. Поняття про гібридизацію як спосіб опису перебудови орбіталей необхідно в тих випадках, коли кількість неспарених електронів в основному стані атома менша від кількості утворюваних зв'язків. Постулюється, що різні атомні орбіталі, що мають близькі значення рівня енергії, взаємодіють між собою, утворюючи гібридні орбіталі з однаковою формою та енергією.

Гібридні орбіталі за рахунок більшого перекривання утворюють міцніші зв'язки порівняно з негібридизованими орбіталями. Тип гібридизації визначає спрямованість гібридних АО у просторі, а отже, і геометрію молекул.

Залежно від кількості орбіталей, що вступили в гібридизацію, атом вуглецю може знаходитися в одному з трьох станів гібридизації.

sp³-Гібридизація. В результаті sp³- гібридизації (рис. 1.3, а) атом вуглецю з основного стану 1s²2s²2p² (рис.1.4, а) за рахунок переміщення електрона з 2s- на 2p-орбіталь переходить у збуджений стан 1s²2s²2p³. При зміщенні чотирьох зовнішніх АO збудженого атома вуглецю (однієї 2s- і трьох 2p-орбіталей) виникають чотири рівноцінні sp³-гібридні орбіталі. Вони мають форму об'ємної вісімки, одна з лопатей якої значно більша за іншу. Внаслідок взаємного відштовхування гібридні АО спрямовані в просторі до вершин тетраедра і кути між ними дорівнюють 109,5° (найбільш вигідне положення).

Кожна гібридна орбіталь в атомі заповнюється одним електроном. Атом вуглецю у стані sp³-гібридизації має електронну конфігурацію 1s² (2sp³)⁴ (рис. 1.4, б). Такий стан гібридизації характерний для атомів вуглецю в насичених вуглеводнях (алканах) і відповідно в алкільних радикалах їх похідних.

sp²-Гібридизація.

У результаті sp²-гібридизації за рахунок зміщення однієї 2s- і двох 2p-АO збудженого атома вуглецю утворюються три рівноцінні sp²-гібридні орбіталі, розташовані в одній площині під кутом 120° (рис. 1.3, б). Негібридизована 2p_z-АO знаходиться в перпендикулярній площині. Атом вуглецю у стані sp²-гібридизації має електронну конфігурацію 1s²(2sp²)³2p¹ (рис. 1.4, в). Такий атом вуглецю характерний для ненасичених вуглеводнів (алкенів), а також для деяких функціональних груп, наприклад карбонільної, карбоксильної та ін.

Рис. 1.3. Види гібридизації атома вуглецю (кольором показано негібридизовані р-АО)

Рис. 1.4. Розподіл електронів за орбіталями в атома вуглецю в основному і гібридизованих станах

sp-Гібридизація.

У результаті sp- гібридизації за рахунок зміщення однієї 2s- і однієї 2p-орбіталей збудженого атома вуглецю утворюються дві рівноцінні sp- гібридні АO, розташовані лінійно під кутом 180°.

Решта негібридизованих 2р-АО розташовується у взаємно перпендикулярних площинах. Атом вуглецю у стані sp-гібридизації має електронну конфігурацію 1s²(2sp)²2p² (рис. 1.4, г). Такий атом зустрічається у сполуках, що мають потрійний зв'язок, наприклад в алкінах, нітрилі.

У гібридизованому стані можуть знаходитися й атоми інших елементів. Наприклад, атом азоту в іоні амонію NH₄⁺ і відповідно алкіламонію RNH₃⁺, перебуває у стані гібридизації; у піролі й піридині – sp²-гібридизації; у нітрилі – sp-гібридизації.